CN102710333A - 基于PON/RoF的全双工有线/无线混合接入方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于PON/RoF的全双工有线/无线混合接入方法和系统。射频本振通过光调制器调制光波产生两个边带，一个边带偏振分离为正交B1、B2支路，另一个边带分为B3、B4支路，B1承载下行数据信号，调整B3偏振与B1平行，B1、B2和B3耦合产生融合光信号，由光纤传输至基站，B4预留为上行链路信号解调的光本振。基站无线接入方案通过偏振分束器分离得四倍频的光毫米波信号和上行载波B2；有线接入方案通过波长间插光滤波器分离出同频B1、B2支路和上行载波B3，B1与B2实现下行数据的相干解调。预留的上行光载波分别承载上行的有线或无线信号后由光纤传输至中心站并解调，完成全双工RoF链路。

Description

基于PON/RoF的全双工有线/无线混合接入方法和系统

技术领域

本发明涉及光通信和毫米波通信领域，尤其涉及利用光通信技术长距离传输基于正交偏振的有线无线融合光信号，以实现基于PON和RoF技术融合的全双工有线/无线混合接入的方法和系统。

背景技术

随着通信的发展，低速窄带通信愈来愈难满足数据、语音、视频和多媒体对于数据速率和带宽的需求。光纤通信的发展以其低损耗、大带宽、不受电磁干扰且易于维护的优势，成为远距离、高速率信号传输的可行方案。

基于光纤接入的无源光网络(Passive Optical Network，PON)是一种质优价廉的FTTx实现技术，目前EPON和GPON已商用，10G-EPON标准已完成。波分复用无源光网络(Wavelength Division Multiplexing PON，WDM-PON)具有协议透明、带宽大、安全、方便部署等优点，具有上述优点的WDM-PON能够提供10Gb/s甚至更高速率的高质量接入，优势明显。有线接入方式信号稳定但在一定程度上限制了接入的灵活性。

光纤接入能够提供巨大的带宽，但其灵活性严重受限；无线通信能够实现灵活方便的窄带接入，但由于无线信道频谱资源非常有限且易受多种损伤等因素，无法满足未来无线通信业务的大容量和多样化需求。光纤和无线通信表现出明显的优势补充特征，由于光纤射频传输(Radio over Fiber，RoF)技术的引入，二者还表现出相互兼容性，这促使光纤通信和无线通信技术走向融合。融合了光纤的宽带传输优势和无线接入的灵活方便优势的宽带有线-无线混合接入网络，不仅能够提供宽带光纤有线接入，还能够借助RoF技术为分布式天线系统长距离、低损耗地馈送宽带无线信号以实现宽带无线接入，将是未来宽带接入的有效实现方案。基于RoF技术的宽带无线接入系统需要光纤分布光载毫米波信号，其光纤网络在许多应用环境中与PON接入网重叠。如果将基于PON的宽带有线接入和基于RoF的宽带光载射频信号分布网络结合起来，由同一个光网络承载，不仅能够实现有线-无线网络的融合，简化网络结构，而且能够根据用户需要提供有线和/或无线接入，满足多样化需求。

目前已有基于PON/RoF的混合有线/无线接入的文献报道，但现有技术中PON/RoF的混合有线/无线接入方式至少存在下述问题：只是把有线和无线信号简单耦合并传输，有线与无线接收信号相互独立，增加了频谱成分，降低了信号在光纤中的传输性能，设备与频谱的利用率也远远不够。对于数十甚至上百Gb/s数据速率的高质量传输、60GHz甚至更高频的毫米波的无线接入，同时兼顾有线/无线接入方式的可选择性，进一步简化光谱结构，提高光谱利用效率，成为目前亟待解决的关键问题。

发明内容

为解决上述有线/无线混合接入的信号传输与设备利用问题，本发明提供一种基于PON/RoF的全双工有线/无线混合接入的方法和系统。

本发明提供一种基于PON/RoF的全双工有线/无线混合接入方法，用于实现基站的有线/无线选择性接入，完成基于正交偏振态的有线/无线融合光信号在中心站和基站之间的传输，增加基站接入方式的灵活性和频谱利用率，降低成本，其包括：在中心站的下行链路发射端中，频率为f₀的激光器发出光波入射至铌酸锂马赫-曾德调制器，根据铌酸锂马赫-曾德调制器的非线性特性，频率为f_RF的本振信号驱动其产生频率间隔为4f_RF的两个二阶边带，马赫-曾德干涉仪实现两路边带分离，其中频率为f₀+2f_RF的二阶边带经偏振分束器分为偏振正交的B1和B2支路，B1实现下行数据的加载，频率为f₀-2f_RF的二阶边带由光耦合器分成B3和B4两部分，B3通过偏振控制器调整偏振方向与B1平行，然后包含两个频率成分和不同偏振态的三路光波通过光耦合器耦合成为下行链路的融合光信号，同时中心站将B4预留为上行链路信号的解调本振；下行传输链路，下行链路信号经过掺铒光纤放大器放大，经单模光纤传输至基站，同频的B1与B2支路虽然只有一路进行了信号调制，但由于两者偏振正交，因此在传输中互不干扰，完整的将信息传达至基站；在基站中的下行链路无线接入端中，可实现下行链路的无线接入，基站经过偏振分束器，将下行链路传输的融合光信号分离为光载毫米波信号和上行链路光载波B2，二者偏振正交，其中光载毫米波信号由B1和B3构成，携带下行数据信息，光载毫米波信号经光电转换为频率为f_D＝4f_RF的电毫米波信号后由天线发射至用户端，实现下行链路无线接入；在下行链路有线接入端中，基站的波长间插滤波器将经下行链路传输的融合光信号分为频率为f₀+2f_RF和f₀-2f_RF两部分，其中频率为f₀+2f_RF的光波包含正交偏振的同频波B1与B2，由偏振分束器分离并进行相干解调得到下行的有线接入信号，而频率为f₀-2f_RF的光波即B3预留为上行链路的光载波；在无线接入上行链路中，无线接入上行链路发射端将基站天线接收的无线用户发射的频率为f_U的电毫米波信号，通过马赫-曾德调制器单边带调制到预留的上行链路光载波B2上，由光带通滤波器将承载上行数据信号的调制边带B5滤出并经上行光纤链路传输至中心站，同时实现了毫米波电信号在光域中转换为基带光信号；在中心站中无线接入上行链路的接收端中，预留载波B4作为本振，如果B4和B5频率相同，则进行光域的相干解调得上行链路的基带信号；如果B4和B5频率不同，由低速光电探测器进行光电转换，产生频率为二者之差的拍频电信号，然后电域相干解调得到无线上行基带信号；在有线接入上行链路中，基站中的有线接入上行链路发射端将上行链路的基带信号调制到预留的光载波B3上，并由上行链路传输至中心站，中心站中的有线接入上行链路接收端利用预留本振B4对上行链路信号进行光域相干解调，得到有线上行基带信号；上述上行链路和下行链路能够实现信号的全双工传输，构成了全双工链路。

作为一种优选方法，在下行链路发射端中：所采用双电极铌酸锂马赫-曾德调制器，其响应频率和驱动电路频率不低于下行链路毫米波频率f_D的1/4，偏置于最大传输点；本振信号频率f_RF为下行链路毫米波频率f_D的1/4；两臂时延差为1/4f_RF的马赫-曾德干涉仪将两路二阶边带分离；下行数据信息可以是二进制信号，也可以是频谱效率较高的M进制矢量调制信号；下行数据调制信号由频率为f₀+2f_RF的二阶边带B1承载，B1与同频载波B2偏振正交，与频率为f₀-2f_RF的二阶边带B3偏振平行，下行链路的融合光信号包含两个频率成分的三路光波，频谱成分简单，受光纤色散影响小。

作为一种优选方法，在下行链路无线接入端中：偏振分束器分离出偏振正交的携带下行数据信息的频率为f_D＝4f_RF的光载毫米波信号和频率为f₀+2f_RF的上行链路光载波，其中光载毫米波信号由频率为f₀+2f_RF的B1和频率为f-2f_RF的B3构成，B1携带下行数据信息，B1和B3偏振平行，由响应频率不低于4f_RF的高速光电探测器转换电毫米波信号，接着由天线以无线形式发射给无线接入用户端，实际系统中还需要一定增益的毫米波放大器以增加电毫米波信号功率。

作为一种优选方法，在下行链路有线接入端中：在基站中，波长间插光滤波器将频率为f₀+2f_RF的B1、B2和频率为f₀-2f_RF的上行载波B3分离开，B1与B2正交偏振分离后进入相干光接收机，相干光接收机由偏振控制器、四输入口光hybrid混合器和两对平衡光电探测器构成，能够实现下行有线信号的相干解调，输出基带的有线接入信号。

作为一种优选方法，在无线接入上行链路中：由基站天线接收的频率为f_U的上行电毫米波信号承载的数据可能是二进制信号，也可能是M进制信号，该电毫米波信号被单边带调制到所预留的频率为f0+2f_RF的上行光载波上，能够产生频率为f₀+2f_RF-f_U且承载有上行基带信号的光边带B5、该边带由光滤波器滤出，实现了毫米波电信号在光域中转换为基带光信号，并通过上行光纤链路传输至中心站；中心站的上行无线接入光信号接收端利用预留本振B4对其进行解调，如果B4和B5频率相同，则进行光域的相干解调得上行链路的基带信号；如果B4和B5频率不同，由低速光电探测器进行光电转换器，产生频率为二者之差的拍频电信号，然后电域相干解调得到上行基带信号。

作为一种优选方法，在有线接入上行链路中：在基站中，二进制或M进制正交幅度调制的上行数据信号被基带调制到上行载波B3，经上行链路传输至中心站，利用中心站预留光载波B4作为本振在光域相干解调得上行基带数据信号。

作为一种优选方法，在全双工链路的基站可以采用三种形式之一：(1)只包含有线接入下行链路接收端和有线接入上行链路发射端；(2)只包含无线接入下行链路接收端和无线接入上行链路发射端；(3)同时包含有线接入下行链路接收端、有线接入上行链路发射端、无线接入下行链路接收端和无线接入上行链路发射端，以及实现有线无线接入倒换的下行链路、上行链路的光开关。

作为一种优选方法，在全双工链路的中心站中：能够同时实现下行融合光信号的产生，上行光载毫米波矢量信号的接收与相干解调和上行基带信号的相关光接收，为上行的有线和无线基带信号的相干解调或光域频率下转换提供光本振信号；考虑到光纤链路的损耗，中心站能够通过掺铒光纤放大器对下行链路信号光功率进行功率放大，基站接收到光信号具有足够的光功率；中心站能够通过掺铒光纤放大器放大上行光信号到适当功率，以补偿光信号在上行光纤链路中的传输损耗。

作为一种优选方法，在全双工链路的光纤传输链路：上行链路和下行链路的信号均由常规的单模光纤传输，可以采用两种实现方式：(1)有两根独立的单模光纤构成，上、下行信号分别在上、下行链路光纤中传输；(2)有一根单模光纤构成，上、下行信号在同一根光纤中传输，在中心站，通过光环型器将下行链路光信号耦合进传输光纤，同时上行链路光信号耦合出来；在基站，通过光环型器将下行链路光信号耦合出传输光纤，同时上行链路光信号耦合进传输光纤。

本发明提供一种基于PON/RoF的全双工有线/无线混合接入系统，包括：

系统由中心站、基站和中心站与基站间的全双工传输链路构成，其中中心站包括下行链路发射端、无线/有线上行链路接收端，基站包括下行链路无线/有线接入端和无线/有线上行链路发射端，中心站与基站间的全双工传输链路包括上行链路和下行链路：

下行链路发射端：产生有线/无线接入融合光信号，主要器件包括激光器、铌酸锂马赫-曾德调制器、马赫-曾德干涉仪、偏振分束器、偏振合路器、偏振控制器和光耦合器；激光器产生中心频率为f₀的连续激光，入射至铌酸锂马赫-曾德调制器；频率f_RF的信号驱动铌酸锂马赫-曾德调制器调制产生两个二阶边带；马赫曾德干涉仪实现两个二阶边带的分离；偏振分束器将其中一个二阶边带分离为偏振正交的两路，其中一路加载下行数据信息；偏振合路器耦合偏振正交的两路光波；偏振控制器实现另一路二阶边带与信号调制边带偏振方向平行；光耦合器完成包含两个频率成分不同偏振态的三路光波的耦合输出；

下行链路无线接入端：将下行融合光信号转换为电毫米波信号并分离出上行光载波，主要器件包括偏振分束器、偏振控制器、光电转换器和发射天线；偏振分束器实现偏振正交的4f_RF光载毫米波和上行载波B2的分离；偏振控制器调整光毫米波信号的偏振方向；频率不低于4f_RF的光电转换器完成光毫米波到电毫米波的转换；天线实现电毫米波信号无线发射至用户接收端；

下行链路有线接入端：将下行融合光信号转换为基带电信号并分离出上行光载波，主要器件包括梳状滤波器、偏振分束器和相干光接收机；梳状滤波器分离得到同频正交的B1、B2支路和上行载波B3；偏振分束器将B1、B2偏振分离；相干光接收机由偏振控制器、四输入口光hybrid和两对平衡光电探测器构成，实现下行数据的相干解调；

无线接入上行链路发射端：将上行的电毫米波信号加载到光波上，主要器件包括铌酸锂马赫-曾德调制器和带宽滤波器；铌酸锂马赫-曾德调制器实现上行电毫米波信号单边带调制于中心站预留的上行载波中；滤波器将携带无线上行信息的边带滤出作为基站的输出；

无线接入上行链路接收端：接收上行的无线接入光信号并转换为电信号，主要器件包括光耦合器和光电转换器；光耦合器实现中心站接收的调制信号与预留解调载波B4的耦合；低频光电转换器将耦合的光信号转换为电信号，完成无线上行信号的解调；

有线接入上行链路发射端：将上行的有线接入信号加载到光波上，主要器件为铌酸锂马赫-曾德调制器；铌酸锂马赫-曾德调制器实现有线上行数据对上行载波的基带调制，并作为基站的输出信号；

有线接入上行链路接收端：接收上行的有线接入光信号并转换为电信号，主要器件为相干光接收机；中心站接收到加载有线上行数据信号的载波，与预留解调载波B4共同入射至相干光接收机，实现有线上行数据的相干解调；

中心站与基站间的传输链路：实现上下行光信号的有效传输，主要包括标准单模光纤和实现光信号放大和损耗补偿的掺铒光纤放大器。

采用本发明提供的技术方案后，由于用铌酸锂马赫-曾德调制器的非线性调制特性，使调制器的响应频率要求和本振信号的频率降低为原来的1/4，减少了对系统设备的要求和实施成本；由于下行光信号是由包含两个频率成分的三路光波，其中一路光波承载正交偏振复用信号，不用区分有线和无线接入方式，提高了频谱利用率；由于下行链路信号调制在双频光载毫米波的一个频率成分上，能够有效地降低光纤色散的影响，延长融合光信号的传输距离；由于融合光信号可以方便地转换为有线或无线电信号，增加了用户接入方式的灵活性；由于上行链路光载波可以直接从下行链路中提取，基站无需额外光源，实现了基站无源化，简化了基站结构和功能，降低了功耗、节省了成本；同时，由于中心站预留了载波作为上行信号相干光解调本振，提高了信号光与本振光相干解调的频率一致性和光电转换的灵敏度，降低了系统对光源带宽的要求。

附图说明

图1所示为本发明所公布的基于正交偏振有线/无线接入的全双工PON/RoF链路原理图。

图2为本发明中铌酸锂马赫-曾德调制器在f_RF＝15GHz本振驱动下调制产生的频率为193.13THz和193.07THz的两个二阶边带光谱，图1中位置(i)测得。

图3为本发明中10Gbit/s，16-QAM(2.5Gbaud)上行数据信息调制于193.13THz边带B1后，三路光波偏振调整后合路形成的融合光信号的光谱，图1中(ii)位置测得。

图4为本发明中通过基站的偏振分束器提取的单波长调制双频60GHz光载毫米波信号的光谱图，图1中(iii)位置测得。

图5为本发明中下行链路无线接入的60GHz光载毫米波光电转换为电毫米波的频谱图，图1中(iv)位置测得。

图6为本发明中下行链路无线接入电毫米波信号在不经无线传输情况下相干解调得到的16-QAM下行信号的星座图和I、Q支路眼图(背靠背情况，即光纤长度为0km)，图1中(vi)位置测得。

图7为本发明中下行链路无线接入电毫米波信号在不经无线传输情况下相干解调得到的16-QAM下行信号星座图和I、Q支路眼图(光纤长度为70km)，图1中(vi)位置测得。

图8为本发明中基站无线接入通过偏振分束器分离得到的频率为193.13THz上行载波光谱图，图1中(v)位置测得。

图9为本发明中频率为193.13THz的无线接入上行载波经10Gbit/s，16QAM的65GHz上行电毫米波信号单边带调制后的光谱图，图1中(vii)位置测得。

图10为本发明中无线接入上行信号单边带调制后滤波得到的光谱图，图1中(viii)位置测得。

图11为本发明中无线接入上行链路在不经无线传输情况下传输至中心站后光电转换后的频谱图，图1中(x)位置测得。

图12为本发明中无线接入上行链路在不经无线传输情况下传输至中心站后电域相干解调得到的上行信号星座图和I、Q支路眼图(背靠背情况，即光纤长度为0km)，图1中(ix)位置测得。

图13为本发明中无线接入上行链路在不经无线传输情况下传输至中心站后相干解调得到的上行信号星座图和I、Q支路眼图(光纤长度为70km)，图1中(ix)位置测得。

图14为本发明中基站有线接入方案通过IL分离得到的频率为193.13THz的B1、B2两路同频信号，图1中(xi)位置测得。

图15为本发明中基站的B1、B2支路相干解调得到的下行信号的星座图和I、Q支路眼图(背靠背情况，即光纤长度为0km)，图1中(xii)位置测得。

图16为本发明中基站的B1、B2支路相干解调得到的下行信号的星座图和I、Q支路眼图(光纤长度为70km)，图1中(xii)位置测得。

图17为本发明中基站有线接入方案通过波长间插光滤波器分离得到的频率为193.07THz的上行载波光谱图，图1中(xiii)位置测得。

图18为本发明中有线接入上行载波在10Gbit/s，16QAM上行信息基带调制后的光谱图，图1中(xiv)位置测得。

图19为本发明中有线接入方案的上行链路传输至中心站后相干解调得到的上行信号星座图和I、Q支路眼图(背靠背情况，即光纤长度为0km)，图1中(xv)位置测得。

图20为本发明中有线接入方案的上行链路传输至中心站后相干解调得到的上行信号星座图和I、Q支路眼图(光纤长度为70km)，图1中(xv)位置测得。

具体实施方式

本发明提供一种全双工接入方法，用于实现基站的有线/无线选择性接入，完成基于正交偏振态的有线/无线融合光信号在中心站和基站之间的传输，增加基站接入方式的灵活性和频谱利用率，降低成本，为实现上述效果，需要采用下述步骤：

首先，在下行链路发射端中：如图1所示，在中心站，采用角频率为ω₀＝2πf₀的窄线宽激光器发出光波注入到推挽式的双电极铌酸锂马赫-增德调制器(LiNbO₃ Mach-Zehnder modulator，LN-MZM)中，这里以激光频率f₀＝193.1THz(1552.5nm)，线宽为50kHz为例。LN-MZM通过直流偏置使其位于最大传输点，偏置电压为0V，半波电压V_π＝4V，根据LN-MZM的非线性调制特性，频率为f_RF＝15GHz，峰峰值为6.12V的射频本振信号等幅同相驱动双电极，产生如图2所示的频率为f₀±f_RF的两个二阶边带，二者的间隔为4f_RF＝60GHz。由两臂时延差为1/4f_RF的马赫-曾德干涉仪将两个二阶边带分离，其中频率为f₀+2f_RF＝193.13THz的二阶边带经偏振分束器分离为正交偏振的B1和B2支路，下行基带数据信号通过光调制器加载在B1上，对强度调制信号，简单的光强度调制器即可实现，对相位调制或正交幅度调制等矢量信号需要同时实现相位和幅度调制的矢量调制器实现，如IQ调制器。本发明中将二进制NRZ的10Gbit/s的基带信号通过16-QAM的星座图映射和脉冲成型后形成2.5Gbaud的矢量信号作为下行基带数据，调制加载于B1。承载数据信号的B1与载波B2通过偏振合束器正交合路。频率为f₀-2f_RF＝193.07THz的二阶边带由光耦合器分为B3和B4，通过偏振控制使光载波B3与B1偏振平行，光耦合器将B3与B1和B2支路耦合，即形成了如图3所示的包含两个频率成分三路光波的下行链路融合光信号。融合光信号经掺铒光纤放大器放大到适当的功率后注入到下行传输链路。同时中心站将频率为193.07THz的B4预留为上行链路信号相干解调的光本振。

其次，在下行传输链路中：下行链路由常规的单模光纤构成，能够将融合光信号传输至基站，由于融合光信号的特殊光谱结构，光纤色度色散的影响也非常小，光纤非线性以及偏振模色散较小，可以不予考虑。

下行链路无线接收端：根据用户接入方式的不同，基站可以采用有线或无线接入方式接收并转换下行链路的融合光信号。对无线接入方式，融合光信号经过偏振分束器和偏振控制器将正交偏振的频率为4f_RF＝60GHz的携带下行数据信息的光载毫米波信号(由B1、B3构成)与频率为f₀+2f_RF＝193.13THz的上行光载波B2分离，携带下行数据信息的B1和B3偏振平行，构成频率为fD＝4f_RF的单波长数据调制双频光载毫米波信号，由频率不低于4f_RF的光电探测器光电转换为如图5所示的60GHz电毫米波信号，并由天线无线发射至用户端。为了检验光载毫米波信号的性能，本发明采用60GHz的本振信号对其进行相干解调，解调获得的基带信号星座图和眼图如图6、图7所示。同时B2预留为上行载波。

下行链路有线接入端：下行链路经过波长间插光滤波器分离得到如图14所示的频率为f₀+2f_RF＝193.13THz的光波B1、B2和频率为f₀-2f_RF＝193.07THz的上行载波B3。由于B1与B2同频且偏振正交，偏振分束器实现两者的偏振分离，经过由偏振控制器、光hybrid和两对平衡光探测器组成的相干接收机在光域相干解调得下行基带数据信号。其中解调得到的0km与70km光纤传输距离的星座图和眼图分别如图15、16所示。

无线接入上行链路：承载上行链路数据信号的频率为f_U的电毫米波信号由基站天线接收，通过响应频率不小于f_U的马赫-曾德调制器或电吸收调制器单边带调制到预留的上行光载波B2上产生频率为f₀+2f_RF-f_U的边带B5，光带通滤波器将携带上行链路基带信号的边带B5滤出，经上行光纤传链路输至中心站，该过程同时还实现了毫米波电信号到基带光信号的转换。中心站预留B5作为解调上行链路光信号的本振，如果B4和B5频率相同，即f₀+2f_RF-f_U＝f₀-2f_RF，中心站将频率为f₀+2f_RF-f_U上行链路光信号的B5与频率为f₀-2f_RF的光载波B4的耦合，由偏振控制器、光hybrid和一对平衡光探测器组成的相干接收模块对上行链路信号进行光域相干解调；如果B4和B5频率不同，即f₀+2f_RF-f_U≠f₀-2f_RF，由低速光电探测器将光信号转换为频率为|f_U-4f_RF|的中频电信号，然后在电域将上行链路信号转换为基带信号。本发明以10Gbit/s，16QAM的频率为65GHz上行电毫米波信号为例，经马赫-曾德调制器单边带调制到上行载波，携带上行信息的中心频率为f₀+2f_RF-f_U＝193.065THz的边带B5如图10所示，被滤出并传输到中心站，中心站将其与频率为193.07THz的预留载波B4耦合，经过低速光电探测器转换为如图11所示的5GHz的中频电信号，电域转化为基带信号，实现上行信息的解调。无线接入上行链路经过0km、70km光纤传输后相干解调得到的信号星座图和眼图分别如图12、图13所示。

有线接入上行链路：基站中有线接入上行链路的基带信号由强度调制器或矢量调制器加载到所预留的上行光载波B3上，经上行光纤链路传输至中心站，以中心站预留光载波B4为本振，通过由偏振控制器、光hybrid和平衡光探测器组成的相干接收模块对其进行相干光接收，实现上行信号的光电转换和解调。本发明中10Gbit/s的16QAM上行数据基带调制于频率为193.07THz的上行载波B3，调制信号如图18所示，经光纤传输至中心站，中心站频率为193.07THz的载波B4对其进行相干解调得到上行信息。有线接入上行链路经过0km、70km光纤传输后相干解调得到的信号星座图和眼图分别如图19、图20所示。

本发明采用的基于PON/RoF的全双工有线/无线混合接入方法和系统具有以下有益效果：

(1)利用铌酸锂马赫-曾德调制器的非线性调制特性，使调制器响应频率要求和本振信号的频率降低为原来的1/4，减少了对系统设备的要求和实施成本；

(2)下行链路不区分有线和无线接入方式，利用含两个频率成分的三路光波的融合光信号中的其中一路光波承载正交偏振复用信号，提高了频谱利用率，简化了频谱结构和下行链路的实现方案；

(3)下行链路信号调制在双频光载毫米波的一个频率成分上，信号在光纤传输时光纤色散不会引起所探测到的射频光电流的幅度衰落和脉冲走离现象，能够有效地降低光纤色散的影响延长了光载毫米波信号的传输距离；

(4)基站根据用户的不同需求，能够实现高频光载毫米波的无线接入或基于相干解调的高速有线接入，增加了接入方式的灵活性，满足用户的不同需求；

(5)上行链路光载波由现行链路预留，根据不同的接入方式可直接从下行链路中提取，基站无需额外光源，实现了基站无源化，简化了基站结构和功能，降低了功耗、节省了成本，同时中心站预留了载波B4作为上行信号相干光解调本振，进一步提高了信号光与本振光相干解调的频率一致性和光电转换的灵敏度，降低了系统对光源带宽的要求。

综上所述，本发明利用铌酸锂马赫-曾德调制器在中心站产生了4倍频的光载毫米波信号，降低了调制器的响应频率和本振信号的频率要求；通过正交偏振复用实现了包含两个频率成分的三路光波的传输，增加了频谱利用率，简化了频谱成分；基站中根据不同需求提取不同光路，实现有线/无线接入方式，增加了基站的灵活性；基站通过下行链路提取上行光源，实现了基站无源化，简化了基站结构；中心站预留载波作为上行链路的解调本振，简化了上行传输的光谱结果，增加了PON/RoF全双工链路的可实现性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于PON/RoF的全双工有线/无线混合接入方法，用于实现基站的有线/无线选择性接入，完成基于正交偏振态的有线/无线融合光信号在中心站和基站之间的传输，增加基站接入方式的灵活性和频谱利用率，降低成本，其特征在于，其包括下述步骤：

在中心站的下行链路发射端中，频率为f₀的激光器发出光波入射至铌酸锂马赫-曾德调制器，根据铌酸锂马赫-曾德调制器的非线性特性，频率为f_RF的本振信号驱动其产生频率间隔为4f_RF的两个二阶边带，马赫-曾德干涉仪实现两路边带分离，其中频率为f₀+2f_RF的二阶边带经偏振分束器分为偏振正交的B1和B2支路，B1实现下行数据的加载，频率为f₀-2f_RF的二阶边带由光耦合器分成B3和B4两部分，B3通过偏振控制器调整偏振方向与B1平行，然后包含两个频率成分和不同偏振态的三路光波通过光耦合器耦合成为下行链路的融合光信号，同时中心站将B4预留为上行链路信号的解调本振；

下行链路信号经过掺铒光纤放大器放大，经单模光纤传输至基站，同频的B1与B2支路虽然只有一路进行了信号调制，但由于两者偏振正交，因此在传输中互不干扰，完整的将信息传达至基站；

在基站中的下行链路无线接入端中，偏振分束器将下行链路传输的融合光信号分离为光载毫米波信号和上行链路光载波B2，二者偏振正交，其中光载毫米波信号由B1和B3构成，携带下行数据信息，光载毫米波信号经光电转换为频率为f_D＝4f_RF的电毫米波信号后由天线发射至用户端，实现下行链路无线接入；

在下行链路有线接入端中，基站的波长间插滤波器将经下行链路传输的融合光信号分为频率为f₀+2f_RF和f₀-2f_RF两部分，其中频率为f₀+2f_RF的光波包含正交偏振的同频波B1与B2，由偏振分束器分离并进行相干解调得到下行的有线接入信号，而频率为f₀-2f_RF的光波即B3预留为上行链路的光载波；

在无线接入上行链路中，无线接入上行链路发射端将基站天线接收的无线用户发射的频率为f_U的电毫米波信号，通过马赫-曾德调制器单边带调制到预留的上行链路光载波B2上，由光带通滤波器将承载上行数据信号的调制边带B5滤出并经上行光纤链路传输至中心站，同时实现了毫米波电信号在光域中转换为基带光信号；中心站中无线接入上行链路的接收端，预留载波B4作为本振，如果B4和B5频率相同，则进行光域的相干解调得上行链路的基带信号；如果B4和B5频率不同，由低速光电探测器进行光电转换，产生频率为二者之差的拍频电信号，然后电域相干解调得到无线上行基带信号；

在有线接入上行链路中，基站中的有线接入上行链路发射端将上行链路的基带信号调制到预留的光载波B3上，并由上行链路传输至中心站，中心站中的有线接入上行链路接收端利用预留本振B4对上行链路信号进行光域相干解调，得到有线上行基带信号；

上述上行链路和下行链路能够实现信号的全双工传输，构成了全双工链路。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，在所述下行链路发射端中：

所采用双电极铌酸锂马赫-曾德调制器，其响应频率和驱动电路频率不低于下行链路毫米波频率f_D的1/4，偏置于最大传输点；本振信号频率f_RF为下行链路毫米波频率f_D的1/4；两臂时延差为1/f_RF的马赫-曾德干涉仪将两路二阶边带分离；下行数据信息可以是二进制信号，也可以是频谱效率较高的M进制矢量调制信号；下行数据调制信号由频率为f₀+2f_RF的二阶边带B1承载，B1与同频载波B2偏振正交，与频率为f₀-2f_RF的二阶边带B3偏振平行，下行链路的融合光信号包含两个频率成分的三路光波，频谱成分简单，受光纤色散影响小。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述下行链路无线接入端中：

偏振分束器分离出偏振正交的携带下行数据信息的频率为f_D＝4f_RF的光载毫米波信号和频率为f₀+2f_RF的上行链路光载波，其中光载毫米波信号由频率为f₀+2f_RF的B1和频率为f-2f_RF的B3构成，B1携带下行数据信息，B1和B3偏振平行，由响应频率不低于4f_RF的高速光电探测器转换电毫米波信号，接着由天线以无线形式发射给无线接入用户端，实际系统中还需要一定增益的毫米波放大器以增加电毫米波信号功率。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述下行链路有线接入端中：

在基站中，波长间插光滤波器将频率为f₀+2f_RF的B1、B2和频率为f₀-2f_RF的上行载波B3分离开，B1与B2正交偏振分离后进入相干光接收机，相干光接收机由偏振控制器、四输入口光hybrid混合器和两对平衡光电探测器构成，能够实现下行有线信号的相干解调，输出基带的有线接入信号。

5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，在所述无线接入上行链路中：

由基站天线接收的频率为f_U的上行电毫米波信号承载的数据可能是二进制信号，也可能是M进制信号，该电毫米波信号被单边带调制到所预留的频率为f₀+2f_RF的上行光载波上，能够产生频率为f₀+2f_RF-f_U且承载有上行基带信号的光边带B5、该边带由光滤波器滤出，实现了毫米波电信号在光域中转换为基带光信号，并通过上行光纤链路传输至中心站；中心站的上行无线接入光信号接收端利用预留本振B4对其进行解调，如果B4和B5频率相同，则进行光域的相干解调得上行链路的基带信号；如果B4和B5频率不同，由低速光电探测器进行光电转换器，产生频率为二者之差的拍频电信号，然后电域相干解调得到上行基带信号。

6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，在所述有线接入上行链路中：

在基站中，二进制或M进制正交幅度调制的上行数据信号被基带调制到上行载波B3，经上行链路传输至中心站，利用中心站预留光载波B4作为本振在光域相干解调得上行基带数据信号。

7.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述全双工链路的基站可以采用三种形式之一：

(1)只包含有线接入的下行链路接收端和有线接入的上行链路发射端；

(2)只包含无线接入的下行链路接收端和无线接入的上行链路发射端；

(3)同时包含有线接入的下行链路接收端、有线接入的上行链路发射端、无线接入的下行链路接收端和无线接入的上行链路发射端，以及实现有线无线接入倒换的下行链路、上行链路的光开关。

8.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述全双工链路的中心站中：

能够同时实现下行融合光信号的产生，上行光载毫米波矢量信号的接收与相干解调和上行基带信号的相关光接收，为上行的有线和无线基带信号的相干解调或光域频率下转换提供光本振信号；考虑到光纤链路的损耗，中心站能够通过掺铒光纤放大器对下行链路信号光功率进行功率放大，基站接收到光信号具有足够的光功率；中心站能够通过掺铒光纤放大器放大上行光信号到适当功率，以补偿光信号在上行光纤链路中的传输损耗。

9.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述全双工链路的光纤传输链路：

上行链路和下行链路的信号均由常规的单模光纤传输，可以采用两种实现方式：

(1)有两根独立的单模光纤构成，上行、下行信号分别在上行、下行链路光纤中传输；

(2)有一根单模光纤构成，上、下行信号在同一根光纤中传输，在中心站，通过光环型器将下行链路光信号耦合进传输光纤，同时上行链路光信号耦合出来；在基站，通过光环型器将下行链路光信号耦合出传输光纤，同时上行链路光信号耦合进传输光纤。

10.一种基于PON/RoF的全双工有线/无线混合接入系统，其特征在于，其包括：

系统由中心站、基站和中心站与基站间的传输链路构成，其中中心站包括下行链路发射端、无线/有线上行链路接收端，基站包括下行链路无线/有线接入端和无线/有线上行链路发射端，中心站与基站间的传输链路包括上行链路和下行链路：

下行链路发射端：产生有线/无线接入融合光信号，主要器件包括激光器、铌酸锂马赫-曾德调制器、马赫-曾德干涉仪、偏振分束器、偏振合路器、偏振控制器和光耦合器；激光器产生中心频率为f₀的连续激光，入射至铌酸锂马赫-曾德调制器；频率f_RF的信号驱动铌酸锂马赫-曾德调制器调制产生两个二阶边带；马赫-曾德干涉仪实现两个二阶边带的分离；偏振分束器将其中一个二阶边带分离为偏振正交的两路，其中一路加载下行数据信息；偏振合路器耦合偏振正交的两路光波；偏振控制器实现另一路二阶边带与信号调制边带偏振方向平行；光耦合器完成包含两个频率成分不同偏振态的三路光波的耦合输出；

下行链路无线接入端：将下行融合光信号转换为电毫米波信号并分离出上行光载波，主要器件包括偏振分束器、偏振控制器、光电转换器和发射天线；偏振分束器实现偏振正交的4f_RF光载毫米波和上行载波B2的分离；偏振控制器调整光毫米波信号的偏振方向；频率不低于4f_RF的光电转换器完成光毫米波到电毫米波的转换；天线实现电毫米波信号无线发射至用户接收端；

下行链路有线接入端：将下行融合光信号转换为基带电信号并分离出上行光载波，主要器件包括梳状滤波器、偏振分束器和相干光接收机；梳状滤波器分离得到同频正交的B1、B2支路和上行载波B3；偏振分束器将B1、B2偏振分离；相干光接收机由偏振控制器、四输入口光hybrid和两对平衡光电探测器构成，实现下行数据的相干解调；

无线接入上行链路发射端：将上行的电毫米波信号加载到光波上，主要器件包括铌酸锂马赫-曾德调制器和带宽滤波器；铌酸锂马赫-曾德调制器实现上行电毫米波信号单边带调制于中心站预留的上行载波中；滤波器将携带无线上行信息的边带滤出作为基站的输出；

无线接入上行链路接收端：接收上行的无线接入光信号并转换为电信号，主要器件包括光耦合器和光电转换器；光耦合器实现中心站接收的调制信号与预留解调载波B4的耦合；低频光电转换器将耦合的光信号转换为电信号，完成无线上行信号的解调；

有线接入上行链路发射端：将上行的有线接入信号加载到光波上，主要器件为铌酸锂马赫-曾德调制器；铌酸锂马赫-曾德调制器实现有线上行数据对上行载波的基带调制，并作为基站的输出信号；

有线接入上行链路接收端：接收上行的有线接入光信号并转换为电信号，主要器件为相干光接收机；中心站接收到加载有线上行数据信号的载波，与预留解调载波B4共同入射至相干光接收机，实现有线上行数据的相干解调；

中心站与基站间的传输链路：实现上下行光信号的有效传输，主要包括标准单模光纤和实现光信号放大和损耗补偿的掺铒光纤放大器。

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